立式环模木屑颗粒机环模磨损严重的改进方案

立式环模木屑颗粒机环模磨损严重的改进方案

（方案提供单位：济南冠贝机械设备制造有限公司）

协助提供：山师大物理系硕士陈建永

生物质是一种清洁能源，是可再生和环境友好型，能源。利用好生物质资源，既有利于缓解能源紧张的，问题，又能减少温室气体，保护生态环境，生物质质固体燃料是利用新技术及专用设备将农作物( 如秸秆、木屑、树皮、干草等) 压缩炭化成型的新型燃料）。我国作为农业大国，秸秆等农作物资源十分丰富，而且产量逐年递增，以“秸秆能源”为代表的生物质能源将会成为一种发展前景非常可观的替代能源，生物质固化成型技术在生物质能源的利用方式上与传统技术有所不同，将松散的生物质材料转化为，高密度的成型燃料，成为一种有效利用生物质能源的，方法之一。在目前的生物质固化成型机中，生物质木屑颗粒机环模辊压式成型技术是常用的技术之一，但是作为固化成型机的关键部件—环模与压辊的使用寿，命短、造价高，已成为生物质材料固化成型技术发展的瓶颈之一。为此，通过分析生物质木屑颗粒机的成型过程和机理，研究环模孔的受力状况，确定环模孔的最佳开孔角度，可为改善生物质固化成型机环模的受力状况、降低环模的磨损和延长环模的使用。

1 固化成型过程分析

立式环模木屑颗粒机在工作时，由电机带动减速机，减速机通过主轴的旋转带动压棍旋转，物料与环模之间的摩擦力和物料与压辊之间的摩擦力使得压棍被动旋转。

如图1所示。工作时，调制好的物料，

在环模与压辊间形成的楔形空间受到挤压力作用，随着物料的不断进入，挤压力也不断增加; 当挤压力能够足以克服物料与环模模孔内壁之间的摩擦力时，物料将被逐渐挤入环模孔内; 最后物料成条柱状颗粒从环模孔挤出，再由装在环模外面的固定切刀切成一定长度生物质颗粒燃料，

在环模成型过程中，根据生物质物料在压制区所受压辊的压紧力不同，可将压制区分为供料区、变形压紧区和挤压成型区，如图1所示。

生物质物料在这3个区域的受力状况是不同的，分析如下:

1)供料区:物料垂直进入磨具与压棍的挤压区处于自然松散状态，只随压辊的旋转，物料不断地初压缩，堆积于环模与压辊之间，但此时并没有进入环模模孔内; 随着更多物料不断被挤压，使得供料区内先进入的物料在挤压力的作用下不断补给进新形成的变形压紧

区。

2)变形压紧区:随着压辊的旋转，物料开始逐渐被压辊挤压进入喇叭口，从而向前运动; 在运动过程中，由于压紧区的断面面积在逐渐减小，使得物理层不断被压缩，且物料在挤压力的作用下产生不可逆的塑性变形; 此时，物料内部的作用力还不足以克服环模模孔内壁的摩擦力作用。因此，在此过程中物料仍未进入环模模孔内。

3)挤压成型区:随着环模与压辊之间的间隙越来越小，物料受到的挤压力急剧增大; 此时物料发生了变形，而且接触表面积也在不断增大，使得物料在挤压力作用下被压入环模模孔内; 同时，物料内部产生了塑、弹性变形，且粘性增加，物料就能容易地被挤压成生物质颗粒。在该挤压成型区，物料被压入环模孔内，由于物料内部产生塑性、弹性变形，使得物料与环模孔的内壁产生很强的作用力，引起环模孔的磨损。

2 环模成型孔受力分析

根据木屑颗粒机成型过程的分析可知，物料在环模模孔中的成型过程是最重要的工作过程。在此过程中，物料与环模模孔之间的摩擦力和压辊与环模模孔开口角之间形成的挤压力是实现物料被压缩、形成变形的主要因素。根据力的作用关系，物料与环模模孔内壁之间的摩擦力影响着物料的出模质量和环模模孔内壁的磨损情况，对木屑颗粒机的使用寿命、成型压块的质量都有着很大的影响。

物料在3个区域所受的外力不同，进而环模沿各个方向所受的作用力也不相同。下面分别对位于3个区域的环模内表面受力情况加以分析。

2．1供料区受力分析

在该区域，生物质物料处于自然松散的状态，在环模回转而产生的离心力作用下，生物质秸秆物料仅仅紧贴于环模内圈上，因此供料区环模孔内壁不受力。

2．2变形压紧区攫入角的确定

物料在该区域受到挤压力的作用，而挤压力还不足以克服环模模孔内表面对物料的摩擦力，因此物料未能被挤入模孔。

为了分析方便，取物料的一部分进行受力分析，如图2所示。环模、压辊和物料间的作用力分别为:环模作用于物料的正压力Q; 物料与环模孔内表面之间的摩擦力F1 ; 压辊回转作用于物料的正压力N; 物料与压辊表面之间的摩擦力F2。

由图2可知，将物料攫入变形压紧区的条件为

F1= μ2 Q ，F2= μ1 N

其中，μ1为物料与压辊作用的摩擦系数; μ2为物料与环模内表面作用的摩擦因数。

另外，物料进入变形压紧区时受到阻力Nsinβ。

为保证物料能被压辊挤入变形压紧区，必须满足的条件为

μ1Ncosβ +μ2Q≥Nsinβ( 1)

Q 为物料对环模的挤压力，它应满足的条件为

Q = Ncosβ + μ Nsinβ( 2)

将式( 2) 代入式( 1) 中，可得到

μ1Ncosβ +μ2(Ncosβ +μ1Nsinβ)≥Nsinβ

整理可得

tanβ≤

μ1+μ2

( 3) 1 －μ1μ2

由式( 3) 可知，攫入角β和物料与压辊、物料与环模内表面的摩擦系数有关。对于不同的物料，摩擦因数不同，则攫入角大小也不同。

2．3挤压成型区的受力分析

物料在环模模孔内的成型过程是环模颗粒机工作的最主要过程。为了得到物料位于挤压成型区的受力，先对孔内壁及物料进行受力分析，其成型

过程的受力情况如图3所示。

［8］

，物料在成型过程中所受压力为

由分析可知

2

P =

P2

(2Dεdl2 + 1 －D d2)μ( 4) cosα

其中，μ为摩擦因数，ε为侧压系数。

由式( 4) 可看出，物料本身的性能参数ε、μ和环模的自身结构参数都影响到所受到的压力。当其它参数给定时，开口角度α的大小是影响环模模孔的关键因素。